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离子吸附型稀土矿是重稀土元素的重要矿藏类型,可便利地通过NH4+的离子交换作用将稀土元素原位浸出。伴随着离子吸附型稀土矿的大量开采,消耗了大量的含铵浸出液,进而导致过量的氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐释放到附近的流域中,从矿床上浸出的稀土离子也不可避免地大量涌入地下水和地表水环境中。氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐氮的富集对周围生态系统的完整性和水资源的安全构成了显著威胁,迫切需要缓解稀土矿区面临的地下水和地表水氮污染。在众多的微生物脱氮技术中,厌氧氨氧化(Anammox)技术因其无需曝气、无需有机碳源添加及污泥产量低的优势在稀土矿区地下水氨氮污染原位修复的应用中具有巨大潜力,但由于Anammox技术中的主要功能菌-厌氧氨氧化菌(An AOB)易受环境中共存离子的干扰,因此该技术应用在稀土矿区“三氮污染”治理时仍需重点关注稀土元素对An AOB的影响。本研究采用人工合成废水,以3种不同来源的接种污泥启动Anammox序批式反应器(SBR),通过脱氮性能的追踪、微观形态学观察、微生物群落变化分析以及An AOB特异性引物DNA扩增验证等手段探究接种污泥对Anammox启动性能的影响;而后以镧(La)为稀土元素代表,采用原位富集、半原位富集和异位富集3种启动策略探讨稀土元素对An AOB富集过程的影响;在获得Anammox颗粒污泥后,以进、出水含氮化合物含量、各形态La(Ⅲ)的浓度、活性氧(ROS)产生、胞外乳酸脱氢酶(LDH)的释放、脱氢酶活性(DHA)变化等为指标,结合扫描电子显微镜(SEM)、荧光原位杂交(FISH)、三维荧光光谱(3D-EEM)、二维相关光谱(2D-COS)、傅里叶红外光谱(FTIR)、16S r RNA高通量测序和功能基因的PICRUSt预测等方法,从胞外多聚物(EPS)的作用、La在细胞内的分布、La的跨膜运动、胞内La的作用途径等角度研究添加不同浓度的La(Ⅲ)对Anammox颗粒污泥的影响。主要结论如下:(1)3种不同来源的污泥均能在实验条件下启动Anammox反应,其中新鲜Anammox污泥和存储Anammox污泥均能实现R3-1和R3-2中Anammox反应的快速启动,但采用活性污泥启动的R3-3反应器获得稳定的Anammox活性所需时间为75天。在活性稳定期,采用SEM可观察到R3-1和R3-2污泥中An AOB的典型花椰菜团簇结构,但R3-3中的污泥依然以短杆菌和丝状菌为主,未得到成熟的Anammox颗粒污泥。FISH结果显示活性稳定期末,R3-1、R3-2和R3-3中An AOB占全菌比例分别为54.60%±6.78%、29.64%±6.91%和14.02%±17.43%,同时An AOB特异性引物DNA的PCR扩增结果显示R3-3的成功启动依赖于R3-3接种活性污泥中的土著An AOB。(2)在实验周期内,原位、半原位、异位富集启动策略均能顺利启动Anammox反应。以活性污泥启动Anammox反应时采用0.02 mg·L-1La(Ⅲ)添加的原位和半原位富集启动策略可缩短体系形成稳定Anammox活性和较高脱氮效率的耗时;同时,富集阶段内0.10 mg·L-1La(Ⅲ)添加并未对接种絮状Anammox污泥的脱氮性能产生影响。4℃低温保藏后对污泥进行Anammox活性恢复,0.02mg·L-1La(Ⅲ)添加的实验体系可迅速恢复活性并获得稳定的高效脱氮性能。形态学、FISH图像和16S r RNA分析结果表明0.02 mg·L-1La(Ⅲ)添加可促进污泥形成更紧凑的结构以抵抗低温环境的不利影响,有利于维持低温环境中An AOB相对丰度和种群丰富度。采用0.02 mg·L-1La(Ⅲ)添加的原位和半原位富集启动策略具有启动Anammox反应的潜力,且可降低Anammox污泥低温长途运输带来的不利影响,有利于促进Anammox工艺在稀土矿区氨氮污染原位修复中的应用,是可行的Anammox原位修复工艺启动策略。(3)短期实验中未观察到La(Ⅲ)对Anammox颗粒污泥脱氮性能的影响。长期实验S1阶段(5 mg·L-1 La(Ⅲ)添加)内体系的脱氮性能、ROS的产生、胞外LDH的释放和DHA没有显著变化。Anammox颗粒污泥表面覆盖大量的EPS形成保护性屏障,通过官能团吸附并捕获La(Ⅲ),同时颗粒污泥增加EPS的分泌量以此抵抗La(Ⅲ)对An AOB的侵害。在与La(Ⅲ)反应的诸多官能团中,羧酸、多糖和蛋白质基团(酰胺I带、II带和Ⅲ带)起到主要贡献,并且羧酸对La(Ⅲ)响应速度最快。与蛋白质相比,多糖的响应速度较快,但蛋白质对La(Ⅲ)的扰动反应更为强烈。由于受官能团和吸附位点的限制,10-50 mg·L-1La(Ⅲ)引起了EPS结构和组成的改变。(4)大多数La(Ⅲ)可透过胞外多聚物吸附和跨膜转运后在An AOB细胞内实现积累,并与多种代谢相关的酶发生反应,从而导致脱氮性能受到抑制,对An AOB产生不良影响。10-50 mg·L-1La(Ⅲ)添加对体系脱氮性能产生抑制,导致ROS的产生量显著上升。La(Ⅲ)浓度为50 mg·L-1时脱氮作用近乎停止,10 mg·L-1La(Ⅲ)添加后胞外LDH释放达到对照阶段S0的240.59±7.98%,而在20 mg·L-1La(Ⅲ)作用下DHA降至S0阶段的45%。高浓度La(Ⅲ)作用下,Kuenenia属的相对丰度降低。